JP4604500B2

JP4604500B2 - 電池

Info

Publication number: JP4604500B2
Application number: JP2004017402A
Authority: JP
Inventors: 達也岩本
Original assignee: GS Yuasa International Ltd
Current assignee: GS Yuasa International Ltd
Priority date: 2004-01-26
Filing date: 2004-01-26
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2024-01-26
Also published as: JP2005209587A

Description

本発明は、アルミラミネートシート等のようなフレキシブルシートからなる電池ケースに発電要素を収納した電池に関するものである。

携帯用電子機器等では、発電要素を収納する電池ケースにアルミラミネートシートを用いることにより薄型軽量化を図った電池が従来から使用されている。このようなフレキシブルな電池ケースを用いた非水電解質二次電池の従来の構成例を図４に示す。

この非水電解質二次電池の発電要素１は、正極と負極をセパレータを介して円筒形に巻回したものを上下方向から側面を押し潰して扁平状に成形したものである。また、これらの正極と負極は、巻回軸方向の前後にずらして巻回することにより、前方側の端部に正極の活物質未塗布部であるアルミニウム箔を突出させると共に、後方側の端部に負極の活物質未塗布部である銅箔を突出させるようにしている。そして、この発電要素１の前方端部に突出する正極のアルミニウム箔には、正極リード端子２を溶接すると共に、後方端部に突出する負極の銅箔には、負極リード端子３を溶接している。

上記発電要素１を収納する電池ケース４は、２枚のアルミラミネートシート４１，４２からなる。これらのアルミラミネートシート４１，４２は、ナイロン樹脂等からなるベースフィルム層とアルミニウム箔からなる金属層とポリプロピレン等からなるシーラント層をラミネート状に積層したフレキシブルな方形のシートである。また、これらのアルミラミネートシート４１，４２は、フレキシブル性は有するものの伸びがほとんど生じないので、予め発電要素１が嵌まり込むような膨らみを持たせておくために、事前に中央の大部分に、絞り加工によって凹状シート部４１ａ，４２ａを形成している。このように構成された２枚のアルミラミネートシート４１，４２は、発電要素１を挟んでシーラント層側を向かい合わせに重ね合わせると共に、この発電要素１の上下半分ずつをそれぞれの凹状シート部４１ａ，４２ａに嵌め込んで四方の周縁部を熱溶着することにより、内部に発電要素１を密閉して収納した電池ケース４が構成されることになる。また、発電要素１の前後の端面から突出するリード端子２，３は、これら２枚のアルミラミネートシート４１，４２の前後の周縁部が重なり合った間を通し封止されて外部に突出するようになっている。

上記非水電解質二次電池は、真空中で非水電解液の注入等を行った後に電池ケース４の内部を完全に密閉するので、その後、大気圧の環境下に戻されると、発電要素１が収納された内部が減圧状態となる。そして、このような通常の環境下において、アルミラミネートシート４１，４２の凹状シート部４１ａ，４２ａが大気圧に圧迫されて発電要素１の側面を押圧することにより、巻回された正極と負極をセパレータを介して適度な圧力で密接させることができるようになっている。

ところが、上記非水電解質二次電池を例えば減圧室内や大気圏外で用いた場合、凹状シート部４１ａ，４２ａを圧迫する気圧が低下し、発電要素１の側面を押す力が弱まるので、巻回された正極と負極の隙間が膨らんで電極間距離が広がることにより電池性能が低下するという問題が発生していた。

なお、フレキシブルシートからなる第１電池容器に発電要素を密閉収納すると共に、この第１電池容器を金属等からなる第２電池容器に密閉収納し、これら第１電池容器と第２電池容器との間を大気圧以上とした電池が従来から提案されている（例えば、特許文献１参照。）。しかしながら、この電池は、発電要素が大気圧による圧迫では不十分な場合に、この発電要素を常に大気圧以上の圧力で圧迫できるようにするために、第２電池容器に金属等を用いて、外気圧に応じてこの第２電池容器の内部容積が容易に変化することがないようにしている。従って、このような電池では、電池ケースにフレキシブルシートを用いることによる薄型軽量化を図ることができるという利点が損なわれることになる。

また、共にフレキシブルシートからなる第１電池容器と第２電池容器で発電要素を二重に密封した電池が従来から提案されている（例えば、特許文献２参照。）。しかしながら、この電池は、特許文献２の「００３６」段落にも、第２電池容器の内部は密封前に脱気することが好ましいとする旨の記載があるように、電池ケースを二重化するよりも、薄型化のために一体化することを理想としているので、このような二重構造とすることが本来の目的ではなく、発電要素の密封工程を２段階で行うことにより、電解液付着による封着不良をなくすことを目的としたものである。
特開平９−２８３１７７号公報特開２０００−２００５８７号公報

本発明は、フレキシブルシートからなる電池ケースを圧迫用気体等の圧迫手段を介在させて二重化することにより、減圧環境下で発電要素が十分に圧迫されずに電池性能が低下するという問題を解決しようとするものである。

請求項１の発明は、フレキシブルシートからなる第１の電池容器を備えた密閉電池をフレキシブルシートからなる第２の電池容器に密閉収納してなる電池において、第１の電池容器と第２の電池容器との間に、第１の電池容器の少なくとも一部を圧迫するための圧迫用気体を配し、減圧環境下において、第２の電池容器内の圧力が、外部環境の圧力より高く、かつ、第１の電池容器内の圧力よりも高いことを特徴とする。
そして、請求項２の発明は、前記減圧環境が大気圏外であることを特徴とし、

請求項３の発明は、前記第１の電池容器が、アルミニウム箔からなる金属層の両面にそれぞれシーラント層をラミネート状に積層したフレキシブルシートからなることを特徴とし、
請求項４の発明は、前記第１の電池容器が、中央部に発電要素を嵌め込むための凹部を備えることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、第１の電池容器と第２の電池容器との間に第１の電池容器を圧迫する圧迫用気体が配され、減圧環境下において、第２の電池容器内の圧力が、外部環境の圧力より高く、かつ、第１の電池容器内の圧力よりも高いので、外部環境の圧力が低下しても、第１の電池容器は、この外部環境の圧力よりも高い第２の電池容器内の圧迫用気体の圧力で圧迫され、内部の発電要素の電極間距離が広がりすぎて電池性能が低下するのを防止することができるようになる。

なお、外部環境の圧力が低下しても、第２の電池容器にまだ膨らむ余裕がある場合には、この外部環境の圧力がさらに低下して第２の電池容器がそれ以上膨らまないようになり容積の増大がなくなると、圧迫用気体の圧力が高くなる。また、第２の電池容器が弾性変形の伸びによって膨らむものである場合には、この弾性変形が生じるようになってから圧迫用気体の圧力が高くなる。

以下、本発明の最良の実施形態について説明する。

本実施形態では、図４に示した従来例と同様に、発電要素１をアルミラミネートシートからなる電池ケースに収納した非水電解質二次電池について説明する。なお、図１〜図３においても、この図４に示した従来例と同様の機能を有する構成部材には同じ番号を付記する。

図１に示すように、本実施形態の非水電解質二次電池は、従来例と全く同じ構成の巻回型扁平状の発電要素１を用いている。しかしながら、電池ケースは、第１電池容器５と第２電池容器６とからなる二重構造となっている。

第１電池容器５は、図４に示した従来例の電池ケース４とほぼ同様の２枚のアルミラミネートシート５１，５２からなるが、これらのアルミラミネートシート５１，５２は、従来例の電池ケース４とは異なり、最外層のベースフィルム層をシーラント層に代えたものを用いている。即ち、これらのアルミラミネートシート５１，５２は、アルミニウム箔からなる金属層の両面にそれぞれポリプロピレン等からなるシーラント層をラミネート状に積層したフレキシブルな方形のシートであり、２層のシーラント層によって内外の両面で熱溶着が可能となる。また、第２電池容器６は、２枚の樹脂ラミネートシート６１，６２からなる。これらの樹脂ラミネートシート６１，６２は、外層のナイロン樹脂等からなるベースフィルム層と内層のポリプロピレン等からなるシーラント層をラミネート状に積層したフレキシブルな方形のシートである。

上記第１電池容器５の２枚のアルミラミネートシート５１，５２は、発電要素１を挟んで上下から重ね合わせるので、これらの間の発電要素１を嵌め込むことができるように、それぞれ事前に中央の大部分に、絞り加工によって凹状シート部５１ａ，５２ａを形成している。また、第２電池容器６の樹脂ラミネートシート６１，６２は、第１電池容器５のさらに上下から重ね合わせるので、この第１電池容器５の凹状シート部５１ａ，５２ａの膨らみを僅かな隙間を介して嵌め込むことができるように、それぞれ事前に中央の大部分に、絞り加工によって内面のシーラント層側が窪んだ凹状シート部６１ａ，６２ａを形成している。

上記第１電池容器５の２枚のアルミラミネートシート５１，５２は、図２に示すように、上下から周縁部を重ね合わせると共に、これらの間に挟んだ発電要素１の上半分と下半分をそれぞれの凹状シート部５１ａ，５２ａに嵌め込む。また、発電要素１の前後の端面から突出するリード端子２，３は、従来例の場合と同様に、これら２枚のアルミラミネートシート５１，５２の前後の周縁部が重なり合った間を通して外部に突出させる。第２電池容器６の２枚の樹脂ラミネートシート６１，６２は、内面のシーラント層を向かい合わせにして、この第１電池容器５のアルミラミネートシート５１，５２の上下から重ね合わせると共に、この第１電池容器５の凹状シート部５１ａ，５２ａの膨らみがそれぞれ凹状シート部６１ａ，６２ａに嵌まり込むようにする。従って、４枚のラミネートシート５１，５２，６１，６２は、方形の四方の周縁部のみが密着して重なり合うようになる。

本実施形態の非水電解質二次電池は、上記４枚のラミネートシート５１，５２，６１，６２の周縁部を上下から加熱加圧して熱溶着することにより内部が封止される。従って、上方のアルミラミネートシート５１と樹脂ラミネートシート６１の間と下方のアルミラミネートシート５２と樹脂ラミネートシート６２との間には、凹状シート部５１ａ，５２ａと凹状シート部６１ａ，６２ａとの間の僅かな隙間にそれぞれ外気が残って圧迫用空気７として介在することになる。ただし、第１電池容器５の凹状シート部５１ａ，５２ａの内部は、ここでは完全には封止せず、一部に注液口を設けて外部と通じるようにしておく。このような注液口は、例えばアルミラミネートシート５１，５２の周縁部の間に耐熱性を有しシーラント層と馴染み難い性質の樹脂片等を挟んで熱溶着を行った後にこの樹脂片等を引き抜くことにより形成することができる。そして、非水電解質二次電池を真空中に移して凹状シート部５１ａ，５２ａの内部を真空にし非水電解液を注入して発電要素１の予備充電を行った後に、この注液口を熱溶着することにより、電池ケース４の内部を完全に密閉する。従って、この非水電解質二次電池は、発電要素１が収納された第１電池容器５の内部は、ほぼ真空状態のままで封止されるので、大気中に戻すと、アルミラミネートシート５１，５２の凹状シート部５１ａ，５２ａが撓んで発電要素１の外形に密着することになる。しかしながら、凹状シート部５１ａ，５２ａと発電要素１の外形との間の隙間を完全になくすことはできないので、この電池ケース４の内部は、大気圧よりも十分に減圧された真空に近い状態となる。また、この第１電池容器５と第２電池容器６との間は、僅かな隙間に圧迫用空気７が入っているために、外部環境と同じ大気圧となる。

上記構成の非水電解質二次電池は、外部環境の圧力が低下すると、第１電池容器５と第２電池容器６との間の圧迫用空気７が入った隙間の容積が増大することにより、図３に示すように、この第２電池容器６の凹状シート部６１ａ，６２ａが膨らむ。そして、外部環境の圧力がさらに低下すると、第２電池容器６がそれ以上膨らまないようになって、圧迫用空気７の圧力が外部環境の圧力よりも高くなるので、第１電池容器５がこの圧迫用空気７の圧力に圧迫されて発電要素１を押圧する。このため、外部環境の圧力が大気圧より少し低い圧力以下に低下すると、たとえ外部環境が真空になったとしても、圧迫用空気７によって、この大気圧より少し低い圧力で常に発電要素１が圧迫されるので、この発電要素１の電極間距離が広がりすぎることにより電池性能が低下するのを確実に防止することができるようになる。

従って、本実施形態の非水電解質二次電池は、例えば極めて高度の高い環境下や大気圏外、又は、減圧室内等のように、大気圧よりも気圧の低い環境下で用いる場合にも、電池性能を低下させることなく使用することができるようになる。

なお、上記実施形態では、第１電池容器５と第２電池容器６の４枚のラミネートシート５１，５２，６１，６２を大気中でまとめて熱溶着する場合を示したが、第１電池容器５内を減圧状態にすると共に第２電池容器６との間に圧迫用空気７を介在させることができればよいので、この熱溶着の工程は、生産技術上の都合により任意に変更することができる。例えば、第１電池容器５のアルミラミネートシート５１，５２だけを用いて、従来例の場合と同様に発電要素１を完全に封入し、その後に大気中で、上下から第２電池容器６の樹脂ラミネートシート６１，６２を熱溶着するようにしてもよい。また、事前に、アルミラミネートシート５１，５２と樹脂ラミネートシート６１，６２の周縁部をそれぞれ大気中で熱溶着しておき、以降はこれら上下のラミネートシート５１，６１とラミネートシート５２，６２を従来例の電池ケース４におけるアルミラミネートシート４１，４２の場合と同様に真空中で熱溶着するようにしてもよい。さらに、４枚のラミネートシート５１，５２，６１，６２を真空中で熱溶着し、発電要素１を完全に封入した後に、アルミラミネートシート５１，５２と樹脂ラミネートシート６１，６２との間にそれぞれ圧迫用空気７を注入することもできる。この場合、圧迫用空気７の注入口は、樹脂ラミネートシート６１，６２に最初から開口させておくか注入の際に開口し、圧迫用空気７の注入後に封口すればよい。

また、上記実施形態では、第２電池容器６の樹脂ラミネートシート６１，６２がほとんど伸びの生じない材質で構成される場合を示したが、この樹脂ラミネートシート６１，６２が弾性変形により伸びを生じる材質とすることもできる。ただし、この場合には、外部環境の圧力の低下の程度に応じて第２電池容器６の膨らみの程度も変化するので、この外部環境の圧力が低くなるほど、圧迫用空気７の圧力も低下し、発電要素１を圧迫する力も減少することになる。

また、上記実施形態では、第１電池容器５と第２電池容器６の凹状シート部５１ａ，５２ａ，６１ａ，６２ａを上下２枚ずつのラミネートシート５１，６１とラミネートシート５２，６２の双方に形成する場合を示したが、上下いずれか一方のラミネートシート５１，６１又はラミネートシート５２，６２にのみ形成して、他方は平坦なシートをそのまま用いることもできる。さらに、上下双方のラミネートシート５１，５２，６１，６２全てに平坦なシートを用いることもできる。さらに、上記実施形態では、第１電池容器５と第２電池容器６がそれぞれ２枚のアルミラミネートシート５１，５２や樹脂ラミネートシート６１，６２によって構成される場合を示したが、例えば１枚のラミネートシートを２つ折りにしたり、袋状にしたものを用いることもできる。さらに、これら第１電池容器５と第２電池容器６に用いるラミネートシートは、凹状シート部の形状やシート形状が相互に異なるものを用いることもできる。

また、上記実施形態では、第１電池容器５をアルミラミネートシート５１，５２で構成すると共に、第２電池容器６を樹脂ラミネートシート６１，６２で構成する場合を示したが、第１電池容器５を樹脂ラミネートシートで構成し、第２電池容器６をアルミラミネートシートで構成することもできる。ただし、シーラント層のポリプロピレン等は溶着部の層間を通して端面から水分等が内部に浸入するおそれがあるので、この水分を完全に遮断できる樹脂ラミネートシートを内側の第１電池容器５に用いる方が好ましい。さらに、これら第１電池容器５や第２電池容器６を構成するシート材は、これら双方によって十分な強度とバリア性を確保し確実な封止が可能なフレキシブルシートであればよいので、例えば第１電池容器５と第２電池容器６の双方に樹脂だけからなる樹脂ラミネートシートを用いることもでき、しかも、これらはラミネートシートである必要もない。さらに、これらのフレキシブルシートの重ね合わせ部分は、熱溶着に代えて、接着等の他の方法により封止することもできる。特に第１電池容器５と第２電池容器６を別工程で封止する場合、熱溶着では、その工程で溶着させる必要のないシーラント層をも溶融させることになるので、溶着温度に差を設ける等の工夫が必要となる場合があるが、接着等による場合には、このような障害はなくなる。

また、大気圧の環境下では非水電解質二次電池に不要な膨らみがないことが好ましいので、上記実施形態では、外部環境がこの大気圧であれば、第２電池容器６の樹脂ラミネートシート６１，６２はまだ膨らむ余裕のある状態である場合を示したが、この大気圧の環境下で第２電池容器６が既に限界まで膨らんでいるようにすることもできる。そして、この場合、外部環境の圧力が少しでも低下すれば、第１電池容器５にはこの外部環境よりも大きな圧力が加わることになる。さらに、上記実施形態では、外部環境が大気圧よりも低下した場合に、圧迫用空気７によって発電要素１を圧迫できるようにする場合を示したが、この基準となる外部環境の圧力は、必ずしも大気圧である必要はなく、これよりも高圧や低圧の環境下で圧迫用空気７の圧力が外部環境の圧力と等しくなるように構成されていてもよい。しかも、この外部環境の圧力は、必ずしも大気中の気圧等のように気体中の圧力である必要はなく、水圧等の液体中の圧力であってもよい。従って、例えば深い水中で使用されることの多い非水電解質二次電池を浅い水中に持って来たり大気中に引き上げたときに、第２電池容器６が膨らんで第１電池容器５を圧迫するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、外気から取り込んだ圧迫用空気７を用いる場合を示したが、第１電池容器５を圧迫するための圧迫用気体は、必ずしも空気である必要はなく、他の気体を用いることもできる。さらに、この圧迫用気体は、外部環境の圧力が発電要素１を押圧するには不十分なほど低下したときに気体になっていればよいので、外部環境の圧力が十分高い場合には、凝縮や凝固して液体や固体に変化するものであってもよい。

また、上記実施形態では、第２電池容器６が第１電池容器５を、周縁部を除いてほぼ完全に覆う場合を示したが、少なくとも発電要素１を覆うシート部分（上記実施形態では凹状シート部５１ａ，５２ａ）を圧迫用気体を介在させて覆うようになっていればよい。さらに、第２電池容器６は、第１電池容器５を周縁部も含めて完全に覆うようにしてもよい。即ち、例えば第２電池容器６の樹脂ラミネートシート６１，６２を大きくして、第１電池容器５の封止部よりも外側で別個に封止するようにすることもできる。

また、上記実施形態では、巻回型で扁平状の発電要素１を用いる場合を示したが、第１電池容器５の外側から外部環境や圧迫用空気７による圧力を加えることにより電極間距離を維持するものであれば、この発電要素１の構成は任意であり、円筒状の巻回型のものや積層型のものを用いることもできる。さらに、上記実施形態では、非水電解質二次電池について示したが、この電池の種類も任意であり、他の二次電池や一次電池の場合にも同様に実施可能である。

また、上記実施形態では、第１電池容器５を圧迫するために、第２電池容器６との間に圧迫用気体を介在させたが、参考形態では、この圧迫用気体に代えて液体やゲルを十分な量介在させてもよい。

本発明の一実施形態を示すものであって、非水電解質二次電池の構造を示す分解斜視図である。本発明の一実施形態を示すものであって、非水電解質二次電池の構造を示す縦断面図である。本発明の一実施形態を示すものであって、減圧環境下での非水電解質二次電池の構造を示す縦断面図である。従来例を示すものであって、非水電解質二次電池の構造を示す分解斜視図である。

符号の説明

１発電要素
５第１電池容器
５１アルミラミネートシート
５２アルミラミネートシート
６第２電池容器
６１樹脂ラミネートシート
６２樹脂ラミネートシート
７圧迫用空気

Claims

フレキシブルシートからなる第１の電池容器を備えた密閉電池をフレキシブルシートからなる第２の電池容器に密閉収納してなる電池において、
第１の電池容器と第２の電池容器との間に、第１の電池容器の少なくとも一部を圧迫するための圧迫用気体を配し、
減圧環境下において、前記第２の電池容器内の圧力が、外部環境の圧力より高く、かつ、前記第１の電池容器内の圧力よりも高いことを特徴とする減圧環境下で使用する電池。
前記減圧環境が大気圏外であることを特徴とする請求項１記載の電池。
前記第１の電池容器は、アルミニウム箔からなる金属層の両面にそれぞれシーラント層をラミネート状に積層したフレキシブルシートからなることを特徴とする請求項１又は２記載の電池。
前記第１の電池容器は、中央部に発電要素を嵌め込むための凹部を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電池。